燃烧理论4a燃烧热力学基础

燃烧理论主讲教师：韩奎华邮箱：[e-mail]，[e-mail]电话：88392414手机：[phone]办公室：千佛山校区东院热力楼308室4a燃烧热力学基础（thermodynamics）燃烧反应计算燃烧空气量的计算燃烧产物的组成标准生成焓、反应焓和燃烧焓燃烧焓、绝热燃烧温度及其计算燃气的离解化学平衡燃气的离解化学平衡时燃烧产物成分计算化学计量学燃烧热力学概述化学动力学是研究化学反应机理和化学反应速率及其影响因素的一门科学。燃烧动力学是化学动力学（chemicalkinetics）的一个部分，遵循化学动力学的一般规律。化学热力学研究一个化学反应体系的初始状态和终了状态化学动力学研究体系从一个状态变到另一个状态所经历的过程和该过程所需要的时间，或反应速率化学动力学与化学热力学有什么不同？运用热力学第一、第二定律研究化学反应，尤其是燃烧反应中能量转化的规律、化学反应的方向及化学平衡等确定各种化学反应速度以及各种因素（浓度、温度等）对反应速度的影响概述燃烧现象的本质是化学反应本章将介绍一些最基本的化学动力学知识，讨论有关均匀混合气体的单相反应问题在一个系统内各个组成物质都是同一物态，如都是气态或液态，则此系统为单相系统，在此系统内进行的化学反应为单相反应。掌握化学动力学基础，是弄清燃烧速率及其影响因素以及掌握燃烧污染物形成机理的前提化学热力学化学热力学的用途一个燃烧反应在指定的条件下能否进行？如果该反应能够进行，则它将达到什么限度？外界条件如温度、压力、浓度等对燃烧过程有什么影响？对于一个给定的燃烧过程，能量的变化关系怎样？燃烧过程究竟能为我们提供多少能量？化学热力学是研究化学反应过程中热能和化学能之间的转化、传递和反应的方向和限度的科学。1.1燃烧反应计算燃烧进行的两种方式：完全燃烧和不完全燃烧完全燃烧：当初始物质的全部化学能都转化为另一种能量时，也就是说，最终物质不再含有化学能时，燃烧是完全的。为此，必须提供至少能使全部燃料氧化的氧量。不完全燃烧：假如为燃料供应的氧量低于它全部氧化所需要的氧量，则燃烧是不完全的。这时，尚有部分初始化学能保留在燃烧产物中，不完全燃烧获得的能量比较少。何为燃烧反应计算？燃烧反应计算：按照燃料中的可燃物分子与氧化剂分子进行化学反应的反应式，根据物质平衡和热量平衡的原理，确定燃烧反应的各参数。燃烧反应计算燃烧空气量的计算燃烧产物的计算燃烧反应计算的条件燃料成分氧化剂（空气）一、燃烧空气量的计算氧占空气的21％燃烧所需空气量完全燃烧所需要的最小氧量表示燃烧反应物化学当量关系的计量方程，即燃烧的化学方程式。依据如：(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-6)222111683202kmolHkmolOkmolHOkcal2111296202kmolCkmolOkmolCOkcal22111675802kmolCOkmolOkmolCOkcal2211197200kmolCkmolOkmolCOkcal2211170860kmolSkmolOkmolSOkcal燃烧的化学方程的通式：aAbBeEfFq例：燃料成分由C、H、O、S组成，其中C为Ckg，H为Hkg，O为Okg，S为Skg，且C＋H＋O＋S＝1kg，求燃烧所需空气量？C：CkgkmolC12：HkgkmolH22H：Okg2OkmolO32S：SkgkmolS32C12kmolCC1kmol2O1kmol：2O12kmolC2H2kmolH21kmolH221kmolO：2O4kmolHS32kmolSS1kmol2O1kmol：2O32kmolS1CHOSkg燃烧所需要的最小氧量：min12432CHOSO对应的最小空气量：minmin1()0.210.2112432OCHOSL实际空气消耗量：——过量空气系数minLL或理论空气量注意：Omin、Lmin、L表示千摩尔，区别于L0、G0、V0，单位为kg/kg或者Nm3/Nm3发动机燃料特性例：柴油C：0.857kg，H：0.133kg，O：0.010kg，求完全燃烧所需的最小氧量Omin及对应的Lmin？H2的理论空气量（反应在1atm进行），完全燃烧1kgH2所需空气34.3kg?火箭发动机的采用纯氧8kg?求航空煤油C10.1H20.4的理论空气量?燃料组成(kg)Ominkmol/kgLminkmol/kg热值（kJ/kg）（实验值）热值(kJ/kg)（计算值）CHO汽油0.8540.1420.0040.10650.50734352943500原油0.8600.1370.0030.10580.50384311142207柴油0.8570.1330.0100.10430.49664185542667重油0.8600.1200.0200.10100.48094185541269二、燃烧产物的组成1.完全燃烧产物组成：：CO2、H2O、SO2、N2：CO2、H2O、SO2、N2，还有O（combustionproduction）1112.不完全燃烧产物组成：（空气量不足）：CO2、H2O、SO2、N2及部分没完全燃烧的C，H以CO、C、CH4、H的形式存在。3.理论分子变化系数000001nnnnnnn0min8132HOL1：0：反应产物分子数与反应物分子数之比。用来衡量燃烧反应引起的分子数及相应的体积的变化。0例：C=0.87，H=0.126，O=0.004时，求？0三、化学计量学(stoichiometry)化学当量值stoichiometricratio：氧化剂的化学当量值是刚好完全燃烧一定量的燃料所需要地氧化剂的量。也称：化学恰当比。空燃比：化学恰当反应时消耗的空气—燃料质量比，其值等于1kg燃料完全燃烧时所需要的空气量。当量比：Φ1富燃料混合物，Φ1贫燃料混合物。过量空气系数，余气系数α，为Φ的倒数。22222CH(O3.76N)CO(/2)HO3.76Nxyaxya/4axyr,airairstoicstoicfuelr,fuel4.76(/)()1MmaAFmMstoic(/)(/)AFAF1.2标准生成焓、反应焓和燃烧焓所有的化学反应都伴随着能量的吸收或释放。而能量通常是以热量的形式出现。当反应体系在等温条件下进行某—化学反应过程时，除膨胀功外，不作其它功，此时体系吸收或释放的热量，称为该反应的热效应。标准热效应：反应在latm、298K下进行0298H表示为，上标‘0’代表1atm标准压力，下标‘298”代表标准温度298K吸热为正值，放热为负值化合物的生成焓焓：H=U+pVh=u+pv化合物的生成焓当化学元素在化学反应中构成一种化合物时，根据热力学第一定律，化学能转变为热能（或者相反）。转变中生成的能称之为化合物的生成焓单位：kJ/mol标准状态摩尔生成焓或者标准摩尔生成焓各化学元素在标准状态下（温度是298.15K，压力是101.325kPa）形成1mol的化合物所产生的焓的增量化合物的生成焓在热力学范围内，无法知道内能和焓的绝对值大小，为解决实际问题需要，规定在室温（298K）和101.325kPa（即标准状态）下，各元素最稳定单质的生成焓为零。一个化合物的生成焓并不是这个化合物的焓的绝对值，而是相对于合成它的单质的相对焓。根据上述生成焓的定义，最稳定的单质的生成焓都等于零，因为它们自己生成自己就没有热效应。标准生成焓：各化学元素在标准状态下（温度是298.15K，压力是101.325kPa）形成1mol的化合物所产生的焓的增量。指化合物在标准状态下（温度是298.15K，压力是101.325kPa），从其构成元素的自然（或单质）状态形成1mol化合物时，所生成的热量（kJ/mol）,显焓：指当物质温度偏离标准温度时所造成的物质的焓值的变化，记Δhs绝对焓（总焓）：物质的绝对焓为物质的标准生成焓与显焓之和，ht，在等压绝热燃烧系统时，通常认为燃烧前所有反应物的绝对焓应等于燃烧后所有生成物的绝对焓。0298fh化合物的反应焓反应焓：指某一封闭系统经历一个等压燃烧过程，且系统的最终温度和初始温度值相同，系统内的化合物（或单质）相互反应形成生成物时，放出或吸收的热量，称为反应焓，如果反应在标准状态下进行的等压反应，所放出或吸收的热量，就称之为标准反应焓，0RTH0298,RH反应焓通过生成物和反应物的生成焓的焓差可以计算反应焓PsRjfTjjfTssRThMhMH000OHCOOCH222422例0RTH=[-393.51-571.70-(-74.85)]kJ/mol=-890.36kJ/mol请思考？如果反应物是单质，生成物是1mol的化合物，则其标准摩尔反应焓的数值与标准摩尔生成焓的数值是什么关系？反应焓化学反应的实质，是化合物原键的拆散和新键形成的过程，在此过程中伴随着能量的变化，并以反应焓的形式表现出来分裂两个原子或原子团之间的化学键，必须给以一定的能量两个原子或者原子团结合成新键时，会放出一定的能量某些化合物的生成焓并不知道，这时不可能用热力学的方法来计算它们的反应焓，而可能用化学键能来计算反应焓如果知道分子中各原子的键能，将化学键分裂的键能减去化学键结合的键能，就相当于反应焓燃烧焓1mol的燃料与化学当量的空气混合完全燃烧，反应物和生成物都为标准状态下（温度是298.15K，压力是101.325kPa），反应释放出来的热量定义为燃烧焓。热值：1mol或1kg燃料在标准状态下与空气完全燃烧所释放处的热量，它等于燃烧焓的负数。高位热值：燃烧产物中所有水蒸气为气态。低位热值：燃烧产物中所有水蒸气凝结成水。1.何谓生成焓、反应焓、燃烧焓？2．判断下列热化学方程式的反应热是否为生成焓？原因？3．生成焓、反应焓、燃烧焓三者的区别？H2(g)+I2(s)→HI(g)=25.10kJ／mol12120298fhCO(g)+O2(g)→CO2(g)=-282.84kJ／molN2(g)+3H2(g)→2NH3(g)=82.04kJ／mol0298h120298h回顾：1.何谓生成焓、反应焓、燃烧焓？燃烧焓：一摩尔的燃料和氧化剂在等温等压条件下完全燃烧释放的热量。标准状态时的燃烧热称为标准燃烧焓。生成焓：由最稳定的单质化合成标准状态下一摩尔物质的反应热。反应焓：等温等压条件下反应物形成生成物时吸收或释放的热量。反应焓＝生成物焓的总和－反应物焓的总和2．判断下列热化学方程式的反应热是否为生成焓？原因？H2(g)+I2(s)→HI(g)=25.10kJ／mol12120298fhCO(g)+O2(g)→CO2(g)=-282.84kJ／mol0298h120298hN2(g)+3H2(g)→2NH3(g)=82.04kJ／mol生成焓一定是由稳定单质化合反应生成1mol物质的热量。××√3.反应焓、生成焓、燃烧焓三者的区别？生成焓和燃烧焓均是反应焓的特殊情况；当反应物是稳定单质，生产物是一摩尔的化合物时的反应焓就等于其生成焓；当反应物中的燃料为一摩尔时，其参加反应生成的反应焓就为燃烧焓。燃烧焓和生成焓的最大区别则在于：燃烧焓是针对反应物而言，生成焓是针对生成物而言的。4．燃烧焓的计算燃烧焓计算步骤：psRjjfjsfsRhMhMH0298029802981）写出热化学方程式；2）根据质量守恒，确定一摩尔燃料对应下的其它各反应物和生成物的计量系数；3）查表确定各反应物和生成物的生成焓；4）根据如下公式计算出燃烧焓。例：求甲烷在空气中完全燃烧时的燃烧焓？CH4(g)+2O2(g)+7.52N2(g)CO2(g)+2H2O(l)+7.52N2(g)查表4-1：molkJhCOf/51.39302982molkJhlOHf/